FastBEM 声学软件介绍

 

1、软件概述：

 

FastBEM Acoustic®是一种先进的BEM软件，用于模拟从低频到高频的大规模三维声波问题。它基于快速多极(FMM)和自适应交叉近似(ACA)等先进和有效的算法，使用精确的BEM公式求解三维内部或外部，全空间或半空间域的Helmholtz方程。该程序可用于在PC机上解决数百万自由度的声学BEM模型以及在超级计算机上解决更大的BEM模型。

 

2、软件特点：

 

在PC上解决数百万自由度的大型声学问题。

在低、中、高频范围内使用BEM模型进行精确分析，而不需要粗化网格。

行业中最快，最高效，使用方便，最便宜的BEM商业代码，用于模拟大规模声波问题。

能够同时解决三维全空间和半空间的外部和内部问题。

多源辐射和散射问题。

单频或多频的BEM解决方案。

基于新的自适应快速多极和自适应交叉逼近方法，建立了快速直接BEM求解器。

O(N)的计算效率和内存存储(N=DOF数)。

 

3、软件优势：

 

对于工程师来说：FastBEM Acoustic®是易于使用、最快、最有效和最便宜的声学求解器，使用大型声学模型快速预测声场，这些模型是准确捕捉所有频率的声学响应所必需的。

对于软件开发人员：将快速BEM声学®求解器集成到您的CAE软件中，以便用户可以使用基于25年以上BEM研究经验开发的高效代码来享受高性能声学分析的好处。

对于学术研究人员：免费获得软件的副本，供您的课堂教学和研究，并使研究更加令人兴奋。

 

4、算法细节：

 

三维内、外、全空间或半空间/对称域的时谐声波问题(由具有复波数的亥姆霍兹方程控制)。

双(Burton-Miller)边界积分方程(BIE)公式，外部区域不受不规则频率影响，适用于薄壁结构。

先进的自适应宽带快速多极，自适应交叉近似，快速常规直接BEM求解器，高频BEM(HFBEM)，使用OpenMP并行计算

边界条件(BCS)：

压力，法向速度和阻抗。

声源：多平面入射波，混响条件，单极点和偶极点源，以及任何其他用户定义的声源波数的复数值在声场中引入阻尼/衰减。

输出结果：区域边界和场面上的压力，粒子速度，声压级(SPL)，声强级(SIL)，总声功率和声功率级，声传递矩阵(ATM)或矢量，声面板贡献因子。

使用先前保存的边界上的结果对新场表面上的解进行快速评估，用于相同的BEM模型。

输入数据结构简单，易于与内部代码等商用CAE软件集成。

有ANSYS®和NASTRAN®的接口，用于建立和导入BEM模型。

输出到Tecplot®，用于快速后处理和可视化BEM模型和结果。

使用Tecplot®绘制时域上的边界元结果动画。

基于Java的GUI，用于快速预处理和后处理BEM结果。

对于Windows®8/1064位操作系统和Linux64位操作系统。

可安排定制版本。

 

5、验证案例：

 

A. 来自振动球体的辐射

 

本案例，研究了半径R（=1）的脉动球外声场。 为了使边界上的场不均匀，在离中心位置(R/2，0，0)放置一个单极子源，生成球体边界上的速度边界条件，并利用软件求解外部场。 单元数量从588个增加到4320000个。 无量纲波数ka=2或20。下面的两个云图分别显示了在ka=20和10800个单元时球面和场面上的声压。

                                                   

  

计算的声压和功率的相对误差图和计算时间的图分别显示在以下三个图中。 快速BEM声学®的精度是非常令人满意的，在ka=2时超过10万自由度的模型的误差迅速下降并保持在0.3%左右，表明了算法的数值稳定性。FastBEM Acoustic® 中的FMM求解器的求解时间随自由度的增加几乎是线性增加，在ka=2时，16min内求解了400万自由度的BEM模型， 在ka=20时，计算时间在37分钟内(在Core i7 4GHz CPU和16GB RAM的Intel®笔记本电脑上使用4个线程进行计算)。 传统的BEM只能求解3万自由度的BEM模型，求解时间几乎随自由度的立方函数而增加。 在这种情况下，自适应交叉近似(ACA)BEM求解器在求解高达1000000自由度的BEM模型方面也是非常有效的。

 

 

 

 

 

 

 

        

B. 来自横向振荡球体的辐射

 

本案例，考虑了从半径为R（=1）的振荡球体辐射的声场。球体在x方向振荡，网格中使用了3万个单元。 下面的第一张图片显示在f=500Hz的球外辐射声压场。 第二个图显示了沿半径为5R的圆的声压的分布，并与该频率下的解析解进行了比较。 最后一个图显示了频率范围为20-1000Hz(其中ka=36.62)的点(5R，0，0)处的压力值，并与解析解进行了比较。 在这种情况下，使用双BIE选项和快速多极BEM求解器。这是一个外部声波问题，双BIE选项可以消除虚拟的本征频率。

 

 

 

 

 

       

C.振动球体的内场

 

本案例，考虑了半径R的振动球的内声场。在球体边界上指定恒定振幅的速度，并计算在球体中心的声压，频率为20Hz至2000Hz(其中ka=73.24)。 使用两个边界单元网格，一个具有30,000个单元，用于频率高达1360Hz的计算，另一个网格具有58,800个单元，用于频率高达2000Hz的频率。在这种情况下，使用快速多极BEM求解器。下面的图显示了在球体中心计算的声压与解析解的对比。峰值在介质的共振频率附近理论上是趋于无穷大的。

  

 

    

D.刚体球的散射问题

 

本案例，利用该软件计算了半径为R的刚性球和平面入射波撞击的声场，并用解析解验证了结果。 入射波在+X方向。网格和无量纲波数ka分别为10800和20。 采用快速多极BEM求解器。 图1为外半径为10R的场面上计算得到的声压等值线图。 第二个图显示了沿半径为5R处的圆场表面上的点的计算声压的极坐标图，并与解析解进行了比较。对于该结果，BEM结果的最大误差为0.18%。

 

 

同样的情况在更高的频率ka=100(f=2730Hz)下进行测试，使用187500个单元的更精细的网格。采用ACABEM求解器，下面的第一个图显示了球体表面声压的等值线图。 第二个图显示了沿半径为5R处的圆场表面上的点的计算声压的极坐标图，并与解析解进行了比较。对于这个图，BEM结果的最大误差为3.21%。

 

 

E.软球散射问题

 

本案例与上面讨论的情况相同(与ka=20)，但边界条件改为零压力条件（软球）。下面的第一个图显示了场表面计算声压的等值线图。 第二个图显示了沿半径为5R处的圆场表面上的点的计算声压的极坐标图，并与解析解进行了比较。该图的BEM结果的最大误差为0.45%。

 

 

  

F.单极子源和双极子源的声场分析

 

利用单极子点源和偶极子点源对1.5 m * 1.5 m * 1.5 m立方体中的声场进行建模，以验证边界元法的结果。立方体的壁面被认为是刚性的。点源(单极子或偶极子)放置在(0.3,0.3,0.3)m处，场点放置在(1.2,1.2,1.2)m处。边界元模型共使用10800个单元。在单极子声源和偶极子声源两种情况下，计算场点处在f = 20-500 Hz之间的声压。为了降低立方体内介质的共振频率的峰值，一个小的衰减或阻尼效应被引入到计算中。将边界元法的结果与解析解进行了比较。下图中前两幅图片显示立方体网格和立方体表面在f=500Hz的单极子源的影响下的计算压力。后两幅图分别显示了单极子源和偶极子源在场点处的压力。边界元的结果与解析解很好地吻合。

 

 

 

 

 

G.振动箱通道中的声音

 

本案例建立了一个尺寸为2m* 0.5m* 0.5m的盒子通道。这是一个内域问题。在通道两端施加与沿x方向传播的平面波相对应的速度边界条件。侧向表面采用零速度(刚性)边界条件。在BEM模型中总共使用了51600个单元。计算了ka = 100 (f = 2730hz)时通道表面和沿通道长轴场点处的声压。采用ACA边界元求解器对模型进行求解。下面的图分别显示了在通道表面和沿其轴线上的场点上计算出的声压。与解析解相比，边界元法结果的最大误差小于2%。

 

 

  

 

H.一个具有阻抗边界条件的管

 

本案例，建立了一个尺寸为1m*0.1m*0.1m且具有阻抗边界条件的管。 管的侧壁是刚性的。 在x=0处的末端施加速度为0.001m/s，而在x=1m处的末端施加阻抗Z=(3，1)ρc。在BEM模型中共使用8400个单元，频率为f=1638Hz(ka=30)。用快速多极BEM求解器求解模型。下图显示了在管的表面和沿轴的场点计算的声压。与解析解相比，图上结果的最大误差为1.85%。

 

    

I. 使用HFBEM的箱体辐射

 

本案例，对尺寸为1m*1m*1m的箱体外辐射的声场进行了建模。 箱体的六个表面施加速度边界条件为1m/s。在BEM模型中总共使用了1200个单元，频率从20Hz到2000Hz。该模型是用传统的BEM求解器和高频BEM(HFBEM)求解的。下图显示了场点(10m，0，0)的计算声压级(SPL)。结果表明，HFBEM对远场声压场的估计非常准确，特别是在较高频率下。在这种情况下，HFBEM使用的总CPU时间小于常规BEM使用的CPU时间的1%，这清楚地表明了HFBEM在解决高频外部辐射问题方面的有效性。

应用实例：

下面介绍了几个应用示例，以演示快速BEM声学®软件在解决大规模声学问题方面的能力。所有的例子都是在戴尔®笔记本电脑（intel® Core I7 2.8GHz的CPU和8GB RAM）上解决的。

 

A. 风力涡轮机模型

 

本案例是一个用于预测风力机噪声的半空间声学BEM模型。 在这个例子中，五个风力涡轮机用557470个边界单元建模。所有涡轮机的高度约为29米，在x和y方向上相距50米。地面被建模为一个刚性的无限平面，其中没有应用单元，因为在程序中使用了半空间格林函数。利用FastBEM声学软件计算了ka = 5(叶片转速为3 cycles/s)时涡轮表面和地面上尺寸为200x200 m^2的场面声压。该模型在10min内求解完成。涡轮机表面和场表面（地面）的声压如下图所示。

 

B. 空客A320机型

 

采用空中客车A320飞机的BEM模型模拟飞机着陆时的噪声。 这个BEM模型有539722个单元。利用FastBEM声学软件计算了ka=61.5或f=90 Hz时，由于两个喷气发动机的振动引起的飞机表面和地面的声压场。边界元模型用PC机在132分钟内求解。网格图和声压图如下所示

C.船长潜艇模型

 

在这个潜艇模型中，有250220个自由度，浸没在半空间的水中。利用FastBEM声学软件计算了在ka = 383.7 (f = 1233 Hz)时，由于螺旋桨旋转和在(1,0，-1)方向的入射波引起的潜艇表面的声压。模型在PC机上在14分钟内完成计算。下面的第一个图显示了所使用的边界元网格，第二个图显示了结构表面的声压图。第三张图显示了没有入射波的情况下，从潜艇发射到海底的声压。

 

D.街道街区模型

 

本案例对一个街道块进行建模，以研究来自不同来源的声波的传播和与建筑物的相互作用。下面的第一个图显示了网格（红色)，它在建筑物上有273870个单元，在地面上放置了一个大的场面(绿色）来计算声波。后两个图分别显示了沿主街道的x方向的平面入射波和三个点源在f=200Hz或ka=366处的声场。从这些模拟中观察到声波与建筑物的相互作用。在10min内完成BEM的求解。

E.发动机模型

 

用132764个边界单元对发动机进行建模。发动机型号最大尺寸为360mm。速度边界条件应用于发动机表面。在ka=3.6(f=546Hz)下计算发动机表面和发动机周围的声压)。模型在6min内完成求解，发动机表面和场面的声压图如下所示。